Космический микроволновый фон (CMB) заполняет Вселенную и является остаточным излучением после Большого взрыва. Когда Вселенная родилась, почти 14 миллиардов лет назад, она была заполнена горячей плазмой частиц (протонов, нейтронов и электронов) и фотонов (света). Первые 380 000 лет фотоны постоянно взаимодействовали со свободными электронами, делая раннюю Вселенную непрозрачной, как туман.
Затем этот туман рассеивался по мере охлаждения Вселенной, позволяя электронам объединяться с протонами, образуя атомы водорода. Когда температура стала слишком низкой, чтобы снова разделить их, фотоны смогли перемещаться по Вселенной, которая, таким образом, стала в основном прозрачной.
Именно этот свет доходит до нас в виде фонового излучения, обнаруживаемого в инфракрасном диапазоне и радиоволнах. Его изучение должно помочь нам понять формирование и эволюцию Вселенной. Современная космология, которая берет свое начало в начале 20 века, основана на развитии общей теории относительности.
Недавно исследователи из коллаборации Atacama Cosmology Telescope (ACT) представили в журнале The Astrophysical Journal серию статей, в которых представлена принципиально новая карта темной материи, распределенной на четверти неба, простирающейся вглубь космоса и подтверждающей теорию Эйнштейна о том, как массивные структуры растут и изгибают свет на протяжении 13,8 миллиарда лет существования Вселенной. Астрономы представили свои результаты 11 апреля на конференции Future Science with CMB x LSS в Институте теоретической физики Юкавы в Японии.
Новая карта использует свет от CMB, наблюдаемый радиотелескопом Атакама в Чили, по сути, в качестве подсветки для создания силуэта всей материи между нами и Большим взрывом. Поскольку CMB сформировался на ранних этапах истории Вселенной, оно содержит информацию о ранней Вселенной. Но с тех пор оно прошло долгий путь и успело взаимодействовать со скоплениями галактик. Такие взаимодействия оставляют след на CMB, используемом для изучения этих первобытных галактик.
Уникальность работы исследователей заключается в том, что она проливает свет на весь каркас галактик - невидимую темную материю, которая сплетает Вселенную воедино и соединяет все ее компоненты. Дэвид Спергель, профессор астрономии Принстона и президент Фонда Саймонса, говорит в своем заявлении: "Обычно астрономы могут измерять только свет, поэтому мы видим, как галактики распределены во Вселенной; эти наблюдения показывают распределение массы и показывают, как темная материя распределена в нашей Вселенной".
Хотя она составляет большую часть Вселенной, темную материю трудно обнаружить, поскольку она не взаимодействует со светом или другими видами электромагнитного излучения. Ученым приходится отслеживать ее косвенно, через ее взаимодействие с гравитацией.
На самом деле, ученые считают, что первозданная Вселенная была полна частиц материи и антиматерии. Поскольку они аннигилируют при столкновении, если бы они состояли из равных частей, вся материя во Вселенной должна была бы аннигилировать. Однако быстро расширяющаяся ткань пространства-времени сохранила во Вселенной "очаги первобытной плазмы". Именно эти карманы ученые отслеживают, чтобы обнаружить темную материю.
Они используют явление гравитационного линзирования для картирования этих скоплений материи в CMB. Гравитационное линзирование - это отклонение света в результате большой концентрации материи, такой как галактика (или, в данном случае, очаги плазмы). Поэтому астрономы ищут эти искажения в далеком свете, чтобы составить карту распределения темной материи.
Результаты работы команды подтверждают предсказания Эйнштейна о том, как массивные структуры растут и изгибают свет на протяжении всей истории Вселенной. Соавтор Блейк Шервин, профессор космологии Кембриджского университета, объясняет: "Мы составили карту невидимого распределения темной материи в небе, и оно в точности соответствует нашим теориям [основанным на теории относительности]". Также автор добавил:
"Наши результаты дают новую информацию о продолжающихся дебатах, которые некоторые называют "кризисом космологии". Он возник в результате недавних измерений, использующих другой фоновый свет, излучаемый звездами в галактиках, а не CMB, что свидетельствует о том, что темная материя не была достаточно комковатой в стандартной модели космологии".
Дополнительные карты, составленные на основе данных ACT, и новые наблюдения обсерватории Саймонс - телескопа, строящегося в пустыне Атакама, который может составлять карты неба в 10 раз быстрее, чем ACT, — могут окончательно положить конец этим дебатам.